میکروکنترلر RISC-V رقیب جدید ARM در دنیای پردازش

در دنیای امروز که نیاز به پردازنده‌ های کم ‌مصرف، سریع و مقرون ‌به ‌صرفه بیش از همیشه احساس می ‌شود، نام میکروکنترلرهای RISC-V به عنوان یک طراحی open source و انقلابی، بیش‌ از ‌پیش در حال مطرح ‌شدن است. اما واقعاً میکروکنترلر RISC-V چیست؟ چه تفاوتی با میکروکنترلرهای معروفی مثل میکروکنترلر ARM دارد؟ و آیا این ساختار و طراحی می ‌تواند آینده بازار را از آن خود کند؟

Microcontroller چیست؟ بررسی انواع و کاربرد آنها در صنعت

میکروکنترلر RISC-V چیست؟

میکروکنترلر RISC-V نوعی پردازنده بر اساس معماری RISC (Reduced Instruction Set Computer) است که برخلاف معماری ‌های سنتی، کاملاً متن ‌باز و رایگان ارائه شده است. این بدان معناست که طراحان سخت ‌افزار می‌ توانند بدون پرداخت حق لایسنس، از آن در پروژه‌ها و محصولات خود استفاده کنند.

RISC-V که ریسک فایو تلفظ می شود، توسط دانشگاه کالیفرنیا در برکلی توسعه یافت و به‌ سرعت مورد توجه شرکت ‌ها، مؤسسات تحقیقاتی و جامعه متن ‌باز قرار گرفت. این میکروکنترلرها برای کنترل و مدیریت کارآمد سیستم‌ های سخت ‌افزاری طراحی شده‌ اند و آنها را برای طیف وسیعی از کاربردها، از ابزارهای خانگی ساده گرفته تا دستگاه‌ های صنعتی ایده آل می سازند.

معماری RISC-V : چرا متفاوت است؟

معماری RISC-V ساده، قابل توسعه و بهینه برای پیاده ‌سازی در دستگاه‌ های مختلف است. برخلاف معماری ‌های CISC (Complex Instruction Set Computer) که دستورات پیچیده دارند،RISC-V با کاهش تعداد و پیچیدگی دستورها، سرعت پردازش و مصرف انرژی را بهبود می ‌دهد.

معماری RISC-V بر سادگی و کارایی تمرکز دارد. این طراحی از مجموعه ‌ای کوچک و بهینه از دستورالعمل ‌ها استفاده می ‌کند که به سرعت، اغلب در یک سیکل ساعت، اجرا می ‌شوند. این امر آن را برای کاربردهای تعبیه ‌شده‌ای که نیاز به عملکرد سریع و قطعی دارند، ایده ‌آل می ‌کند.

در هسته طراحی RISC-V یک طراحی مینیمالیستی وجود دارد که از قابلیت توسعه پشتیبانی می ‌کند. این بدان معناست که توسعه ‌دهندگان می ‌توانند فقط ویژگی ‌های مورد نیاز خود را اضافه کنند و از سربارهای غیرضروری جلوگیری کرده و عملکرد را افزایش دهند. ویژگی ‌های کلیدی طراحی میکروکنترلر RISC-V عبارتند از:

• طراحی ماژولار و قابل گسترش
• پشتیبانی از ۳۲، ۶۴ و ۱۲۸ بیت
• امکان افزودن ماژول‌ های سفارشی
• کاملاً رایگان و بدون حق انحصار

انواع میکروکنترلر RISC-V

میکروکنترلرهای RISC-V در مدل‌ ها و رده‌ های مختلفی طراحی می ‌شوند. هر نوع به یک بخش خاص از بازار خدمات ارائه می ‌دهد، از دستگاه ‌های اینترنت اشیا کم ‌مصرف گرفته تا وظایف محاسباتی با عملکرد بالا در هوش مصنوعی و رباتیک. اکنون چندین تولید کننده در حال تولید میکروکنترلرهای RISC-V با پیکربندی ‌ها و قابلیت ‌های مختلف هستند. برخی از معروف ‌ترین آن‌ ها عبارت ‌اند از:

SiFive FE310 : اولین چیپ تجاری مبتنی بر RISC-V

ESP32-C3 : تولید شده توسط Espressif، مخصوص IoT

GD32VF103 : تولید شده توسط GigaDevice، قابل رقابت با STM32

Kendryte K210 : مناسب برای پردازش هوش مصنوعی روی دستگاه

رده ‌بندی معمول:

• 8  بیتی : برای کاربردهای ساده و کنترلی
• 32  بیتی : رایج ‌ترین نوع برای پروژه‌ های IoT و صنعتی
• 64  بیتی: برای کاربردهای پیشرفته مثل شبکه

برای خرید میکروکنترلر کلیک کنید

کاربردهای میکروکنترلر RISC-V

این میکروکنترلرها برای محیط ‌هایی که انعطاف‌ پذیری، مصرف کم برق و صرفه ‌جویی در هزینه بسیار مهم است، بسیار مناسب هستند. ماهیت باز آنها، آنها را برای اهداف آموزشی و تحقیقاتی نیز ایده‌آل می ‌کند. میکروکنترلرهای RISC-V به دلیل سازگاری و مقرون به صرفه بودن، در زمینه‌ های مختلف به طور فزاینده ‌ای مورد استفاده قرار می ‌گیرند. در اینجا به برخی از موارد استفاده رایج اشاره می‌کنیم:

• اینترنت اشیاء (IoT): در سنسورها، ابزارهای هوشمند خانگی، سیستم‌ های نظارت و…
• سیستم‌ های تعبیه ‌شده: کنترل‌ کننده‌ های صنعتی، بردهای آموزشی و اتوماسیون
• رباتیک و تجهیزات پزشکی: پردازش سریع و کم‌ مصرف
• سخت ‌افزارهای رمزنگاری و امنیت سایبری:  پیاده‌ سازی الگوریتم‌ های رمزنگاری در سطح تراشه

عملکرد میکروکنترلر RISC-V چگونه است؟ از نظر فنی، RISC-V در بسیاری از موارد عملکردی برابر یا حتی بالاتر از میکروکنترلرهای ARM ارائه می ‌دهد، به ویژه در مواردی که ساختار دستور ساده به اجرای سریع‌ تر منجر می ‌شود. به طور خلاصه مزایای عملکردی RISC-V عبارتند از:

• اجرای دستورات در یک یا دو سیکل کلاک
• بهینه ‌سازی برای مصرف پایین انرژی
• امکان سفارشی ‌سازی برای افزایش بازدهی در کاربرد خاص

ابزارهایی مانند PlatformIO، Arduino IDE و Freedom Studio  برای توسعه نرم‌ افزار روی RISC-V در دسترس هستند.

تفاوت میکروکنترلر RISC-V با میکروکنترلر ARM

این بخش، مهم‌ ترین و بحث ‌برانگیزترین قسمت ماجراست. مقایسه بین RISC-V و ARM باعث شده بسیاری از مهندسان سخت ‌افزار در تصمیم ‌گیری نهایی دچار تردید شوند. طراحی های RISC-V و ARM هر دو در دنیای میکروکنترلرها جایگاه ویژه ‌ای دارند و انتخاب بین آن‌ ها بستگی به نیازهای پروژه، بودجه و میزان نیاز به سفارشی ‌سازی دارد. با توجه به رشد سریع RISC-V و اکوسیستم متن‌ باز آن، احتمالاً در آینده نزدیک شاهد رقابت بیشتر و استفاده گسترده ‌تر از این طراحی خواهیم بود. در ادامه به بررسی کامل تفاوت های این دو میکروکنترلر می پردازیم :

مقدمه ‌ای بر معماری ARM و RISC-V

معماری ARM

ARM (Advanced RISC Machines) یک معماری پردازنده مبتنی بر طراحی RISC است که در بازار میکروکنترلرها و پردازنده ‌های embedded بسیار محبوب است. ARM توسط شرکت ARM Holdings توسعه یافته و تحت مجوزهای تجاری به شرکت‌ های مختلف فروخته می‌ شود. این معماری به دلیل مصرف پایین انرژی، قدرت پردازش مناسب و اکوسیستم بزرگ نرم ‌افزاری شناخته شده است.

معماری RISC-V

RISC-V یک معماری پردازنده Open Source است که به صورت آزاد و بدون نیاز به مجوز استفاده می ‌شود. این معماری با هدف انعطاف ‌پذیری بالا و امکان سفارشی ‌سازی گسترده ایجاد شده است و به سرعت در حال رشد و محبوب شدن در صنعت سخت ‌افزار است.

مجوز و هزینه ‌ها

• ARM : برای استفاده از معماری ARM نیاز به خرید مجوز از شرکت ARM است که هزینه‌ هایی را به همراه دارد.
• RISC-V : کاملاً Open Source و رایگان است، به طوری که شرکت‌ ها و توسعه ‌دهندگان می ‌توانند بدون پرداخت هزینه به کدهای منبع دسترسی داشته و آن را تغییر دهند.

انعطاف ‌پذیری و سفارشی‌ سازی

• ARM : معماری استاندارد و بسته است؛ امکان تغییر ساختار داخلی پردازنده محدود است.
• RISC-V : به دلیل Open Source بودن، امکان سفارشی‌ سازی واحدهای پردازشی و دستورات خاص برای کاربردهای ویژه فراهم است.

اکوسیستم و پشتیبانی نرم‌افزاری

• ARM : اکوسیستم بسیار بزرگ با پشتیبانی گسترده از سیستم‌ عامل‌ ها، ابزارهای توسعه و کتابخانه ‌ها.
• RISC-V : هرچند اکوسیستم آن در حال رشد است، اما هنوز به اندازه ARM کامل و بالغ نیست.

مصرف انرژی و کارایی

هر دو معماری قابلیت پیاده ‌سازی با مصرف انرژی پایین را دارند. با این حال:

• ARM : معمولا بهینه‌ سازی‌ های گسترده‌ ای در زمینه مصرف انرژی و عملکرد انجام داده است.
• RISC-V : بسته به پیاده‌ سازی، می‌تواند بسیار بهینه و سبک باشد؛ مخصوصاً در کاربردهای خاص و سفارشی.

امنیت

• ARM : دارای امکانات امنیتی پیشرفته مانند TrustZone است که امنیت سیستم‌ های تعبیه ‌شده را تضمین می‌ کند.
• RISC-V : پروژه ‌های متعددی برای اضافه کردن ویژگی‌ های امنیتی در حال توسعه هستند، ولی هنوز به صورت کامل جا نیفتاده‌اند.

به ‌طور خلاصه، RISC-V در زمینه آزادی عمل، هزینه کمتر و توسعه ‌پذیری برتری دارد، اما ARM در ابزارها، پشتیبانی و اکوسیستم بهتر عمل می کنند.

مزایا و معایب RISC-V نسبت به ARM

مزایای میکروکنترلرهای RISC-V باعث پذیرش سریع آنها در صنایع مختلف شده است. آنها به دلیل هزینه مجوز صفر و سازگاری بالا، به ویژه برای استارت ‌آپ ‌ها و موسسات تحقیقاتی جذاب هستند

• رایگان و open source
• امکان طراحی هسته اختصاصی برای کاربرد خاص
• کاهش هزینه‌ های توسعه و تولید
• انعطاف بالا برای شرکت ‌های نوآور

با وجود مزایای آن، RISC-V هنوز محدودیت‌ هایی دارد. توسعه‌ دهندگان باید قبل از پذیرش، این معایب را در برابر الزامات پروژه خود بسنجند.

• پشتیبانی نرم ‌افزاری محدودتر نسبت به ARM
• ابزارهای توسعه گاهی هنوز در مرحله رشد
• عدم استانداردسازی در برخی پیاده ‌سازی‌ها

آینده RISC-V : تهدید یا فرصت برای ARM؟

کارشناسان پیش ‌بینی می ‌کنند که RISC-V در سال ‌های آینده سهم بزرگی از بازار میکروکنترلرها را از آن خود کند، به ویژه در حوزه ‌هایی مانند IoT، خودروهای الکتریکی، شبکه و تجهیزات نظامی.

شرکت‌ های بزرگی مانند Intel، Google، Nvidia، Huawei  وWestern Digital  در حال سرمایه ‌گذاری روی این معماری هستند. همچنین کشورهای آسیایی به دلیل مسائل تحریم، علاقه زیادی به استفاده از معماری ‌های غیر وابسته دارند.

آیا زمان مهاجرت به RISC-V فرا رسیده؟

میکروکنترلرهای RISC-V نشان ‌دهنده یک تغییر انقلابی در طراحی سیستم ‌های تعبیه ‌شده هستند. ماهیت ماژولار و متن‌باز آنها، آزادی، انعطاف ‌پذیری و بهره ‌وری هزینه ‌ای را به توسعه‌ دهندگان ارائه می ‌دهد که معماری ‌های اختصاصی نمی‌ توانند با آن برابری کنند. در حالی که چالش‌ هایی مانند توسعه اکوسیستم همچنان پابرجاست، رشد سریع و حمایت صنعت نشان می ‌دهد که RISC-V در سال‌ های آینده به یک نیروی غالب تبدیل خواهد شد.

اگر به دنبال معماری ‌ای هستید که:

• رایگان باشد
• قابل توسعه باشد
• و آینده ‌دار باشد

بدون شک میکروکنترلر RISC-V یکی از بهترین انتخاب‌ هاست. البته در پروژه ‌هایی که نیاز به پشتیبانی گسترده و اکوسیستم بالغ دارند، هنوز ARM گزینه مطمئن ‌تری محسوب می ‌شود. با این حال، ترکیب نوآوری، آزادی و عملکرد مناسب، RISC-V را به یکی از رقبای جدی ARM تبدیل کرده است.